KR100565202B1 - Ultrasonic mems speaker using piezoelectric actuation and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전력에 의한 구동을 이용하여 소리의 전달이 일방향으로 전달되도록 하여 음파의 왜곡 현상을 없애고, 높은 음향 강도를 갖는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 외부로부터 전원이 공급되면 압전 특성에 의해 기계적 작동을 유발하는 압전 커패시터와, 후면 중앙 부분이 소정 식각되고, 상기 압전 커패시터에 의해 진동되는 멤브레인(membrane) 또는 캔틸레버(cantilever)로 사용되는 SOI(silicon on insulator) 기판과, 상기 SOI 기판 후면에 부착되어 후면파를 방지하는 후면판을 포함하여 구성한 단위 셀들이 정방 형태 또는 육각형 형태로 주기적으로 배열하여 형성하고, SOI(silicon on insulator) 기판 상부에 실리콘 산화물층을 열산화법으로 형성하는 단계와, 상기 구조물 상부에 하부전극, 압전체층, 상부전극을 순차적으로 증착한 후 패터닝하고, 식각하여 압전 커패시터를 형성하는 단계와, 상기 SOI 기판 후면 중앙 부분을 패터닝하고, 식각하여 멤브레인(membrane) 또는 캔틸레버(cantilever)를 형성하는 단계와, 상기 SOI 기판 후면에 후면파 방지를 위한 후면판을 형성하는 단계로 이루어짐으로써, 낮은 인가 전압으로 음파의 왜곡현상 없이 높은 음향 강도를 얻을 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system speaker and a method of manufacturing the same, which eliminates distortion of sound waves by allowing sound to be transmitted in one direction by using piezoelectric power. When the power is supplied, a piezoelectric capacitor which causes mechanical operation by the piezoelectric characteristic, and a silicon on insulator (SOI) used as a membrane or cantilever which is etched by the piezoelectric capacitor at a predetermined portion of the rear center portion thereof is etched. Unit cells including a substrate and a back plate attached to the rear surface of the SOI substrate to prevent back waves are periodically formed in a square or hexagonal shape, and a silicon oxide layer is formed on the silicon on insulator (SOI) substrate. Forming a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode on the structure; Depositing, patterning, and etching to form a piezoelectric capacitor, patterning and etching a central portion of the backside of the SOI substrate, and forming a membrane or cantilever to form a membrane or cantilever on the backside of the SOI substrate. By forming the back plate for preventing the back wave, there is an effect that can obtain a high sound intensity without distortion of sound waves with a low applied voltage.

Description

압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커 및 그 제조 방법{ULTRASONIC MEMS SPEAKER USING PIEZOELECTRIC ACTUATION AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system speaker and its manufacturing method {ULTRASONIC MEMS SPEAKER USING PIEZOELECTRIC ACTUATION AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도1은 초음파 스피커의 원리에 대한 도.1 is a diagram of the principle of an ultrasonic speaker.

도2는 본 발명에 따른 초음파 MEMS 스피커의 단위 셀에 대한 단면도.2 is a cross-sectional view of a unit cell of an ultrasonic MEMS speaker according to the present invention;

도3a 내지 도3e는 본 발명에 따른 초음파 MEMS 스피커의 제조 과정을 도시한 단면도.3A to 3E are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of an ultrasonic MEMS speaker according to the present invention.

도4는 본 발명에 따른 초음파 MEMS 스피커의 단위 셀에 대한 또 다른 일 실시예 단면도.4 is a cross-sectional view of another embodiment of a unit cell of an ultrasonic MEMS speaker according to the present invention;

도5는 본 발명에 따른 초음파 MEMS 스피커의 단위 셀에 대한 또 다른 일 실시예 단면도.5 is a cross-sectional view of another embodiment of a unit cell of an ultrasonic MEMS speaker according to the present invention;

도6은 본 발명에 따른 초음파 MEMS 스피커의 단위 셀들을 5×5 정방 배열 형태로 나열한 초음파 스피커 모듈을 도시한 평면도.FIG. 6 is a plan view illustrating an ultrasonic speaker module in which unit cells of an ultrasonic MEMS speaker according to the present invention are arranged in a 5 × 5 square arrangement; FIG.

도7은 본 발명에 따른 초음파 MEMS 스피커의 단위 셀들을 5×5 육각형 모양 배열 형태로 나열한 초음파 스피커 모듈을 도시한 평면도.7 is a plan view illustrating an ultrasonic speaker module in which unit cells of an ultrasonic MEMS speaker according to the present invention are arranged in a 5 × 5 hexagonal shape arrangement;

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**** Description of the symbols for the main parts of the drawings **

10:SOI 기판 11:실리콘 산화물층10: SOI substrate 11: silicon oxide layer

12:하부전극 13:압전체층12: lower electrode 13: piezoelectric layer

14:상부전극 15:후면판14: upper electrode 15: back plate

20, 21:외부 패드 100:압전 커패시터20, 21: external pad 100: piezoelectric capacitor

본 발명은 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 압전력에 의한 구동을 이용하여 소리의 전달이 일방향으로 전달되도록 하여 음파의 왜곡 현상을 없애고, 높은 음향 강도를 갖는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system speaker and a method of manufacturing the same. The present invention relates to a piezoelectric drive having a high sound intensity by eliminating distortion of sound waves by transmitting sound in one direction by using piezoelectric power. It relates to a type ultrasonic micromechanical system speaker and a method of manufacturing the same.

최근 정보 통신 기기가 급속도로 발달하면서, 화상 이동 통신 단말기, MP3 플레이어, 캠코더 등의 정보 기기의 보급이 급속도로 이루어지고 있다. 이들 정보 통신 기기들은 대부분 음향 발생 기능, 즉 스피커를 장착하고 있다. With the recent rapid development of information communication devices, the spread of information devices such as image mobile communication terminals, MP3 players, camcorders, and the like has been rapidly made. Most of these information communication devices are equipped with a sound generating function, that is, a speaker.

이러한 음향은 사생활 보호 측면 및 공공장소의 윤리적 도의상 이어폰을 통하여 이용되고 있으나, 사용하기가 불편하고, 장시간 사용할 경우 귀 주변 근육에 상당한 피로감을 느끼게 된다. 하지만, 초음파 스피커를 사용할 경우 초음파가 가지는 소리의 직진성 때문에 이어폰 없이도 다른 사람에게는 들리지 않고, 사용자만이 소리를 들을 수 있다.This sound is used through earphones for privacy and ethical morals in public places, but it is inconvenient to use, and when used for a long time, a considerable fatigue is felt in the muscles around the ear. However, when using an ultrasonic speaker, due to the straightness of the sound of the ultrasonic waves, without the earphones can not be heard by others, only the user can hear the sound.

도1은 초음파 스피커의 원리에 대해 도시한 도면으로, 압전 음향 변환기에서 두개의 주파수(f1, f2)를 가진 원천 사인(sine) 음향파가 나오게 되면, 이는 일정한 주파수 간섭 영역에서 원천 파장끼리 간섭을 일으킨다. 일반적으로 초음파 스피커에 사용되는 초음파는 200KHz 내외로 가청 주파수인 20~20000Hz를 벗어난다. 하지만, 두개의 초음파(f1, f2)는 간섭 영역을 벗어나면 간섭을 통해 두 주파수(f1 , f2)의 차이만큼의 주파수(fd)를 갖는 하나의 이차 발생 파장을 형성하므로 가청이 가능해진다. 예를 들어, f1과 f2가 20,200Hz와 20,000Hz라고 하면, 각 주파수는 가청 주파수를 벗어나지만, 이들이 간섭 영역에서 간섭되어 발생한 이차 발생 파장(fd)은 200Hz의 주파수를 가져 청취가 가능해진다.1 is a diagram illustrating the principle of an ultrasonic speaker. When a source sine acoustic wave having two frequencies f 1 and f 2 is emitted from a piezoelectric acoustic transducer, the source wavelengths are separated from each other in a constant frequency interference region. Cause interference. In general, the ultrasonic wave used in the ultrasonic speaker is around 200KHz and is outside the audible frequency of 20 ~ 20000Hz. However, the two ultrasonic waves f 1 and f 2 are audible because they form one secondary wave having an frequency f d equal to the difference between the two frequencies f 1 and f 2 through the interference beyond the interference region. This becomes possible. For example, if f 1 and f 2 are 20,200 Hz and 20,000 Hz, each frequency is outside the audible frequency, but the secondary generated wavelength f d caused by the interference in the interference region has a frequency of 200 Hz to allow listening. Become.

현재까지 이러한 원리를 이용한 초음파 스피커 제품은 박물관, 미술관 등에서의 응용을 위하여 벌크하게 만들어졌다. 하지만, 미세기전 시스템(MEMS : micro electro mechanical system) 기술을 적용하여 제작할 경우 초소형 정보 기기에 적용 가능할 것이다. 현재 진동판을 진동시켜 음향을 발생시키는 방법으로는 정전기력, 정자기력 및 압전력 등이 있지만, 정전기력의 경우는 음향을 발생시키는 힘이 상대적으로 약하며, 정자기력의 경우는 그 제조가 상당히 복잡하다.To date, ultrasonic speaker products using this principle have been made bulk for applications in museums and galleries. However, if it is manufactured by applying micro electro mechanical system (MEMS) technology, it will be applicable to micro information equipment. Current methods for generating sound by vibrating the diaphragm include electrostatic force, sperm magnetism and piezoelectric force, but in the case of electrostatic force, the force for generating sound is relatively weak, and in the case of sperm magnetic force, the manufacturing thereof is quite complicated.

상기와 같이 종래 정전기력과 정자기력을 이용한 음향 발생 방법은 정전기력의 경우 음향을 발생시키는 힘이 상대적으로 약하고, 정자기력의 경우 그 제조 과정이 상당히 복잡한 문제점이 있었다.As described above, the conventional sound generating method using electrostatic force and static magnetic force has a relatively weak power for generating sound in the case of electrostatic force, and in the case of static magnetic force, the manufacturing process is quite complicated.

따라서, 상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 전계가 가해지면 상기 전계에 의해 발생되는 전기적 에너지가 기계적 에너지로 변환되어 진동하는 압전 커패 시터를 이용하여 초음파 스피커를 제작함으로써, 낮은 인가 전압으로 높은 음향 강도를 얻을 수 있는 압전 구동형 초음파 MEMS 스피커 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention in view of the above problems by manufacturing an ultrasonic speaker using a piezoelectric capacitor that vibrates the electrical energy generated by the electric field is converted to mechanical energy when an electric field is applied, high sound intensity at a low applied voltage It is an object of the present invention to provide a piezoelectric driven ultrasonic MEMS speaker and a method of manufacturing the same.

또한, 본 발명은 후방파를 제거하기 위한 후면판을 구비함으로써, 음파의 왜곡현상 없이 높은 음향 강도를 가지는 압전 구동형 초음파 MEMS 스피커 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a piezoelectric-driven ultrasonic MEMS speaker having a high sound intensity without distortion of sound waves, and a method of manufacturing the same, by providing a rear plate for removing rear waves.

또한, 본 발명은 제조 공정이 간단하여 높은 수율 및 높은 공정 신뢰성을 갖고, 제조 단가를 낮출 수 있는 압전 구동형 초음파 MEMS 스피커 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a piezoelectric driven ultrasonic MEMS speaker and a method of manufacturing the same, which have a simple manufacturing process, have high yield and high process reliability, and can reduce manufacturing cost.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 외부로부터 전원이 공급되면 압전 특성에 의해 기계적 작동을 유발하는 압전 커패시터와; 후면 중앙 부분이 기 결정된 깊이만큼 식각되고, 상기 압전 커패시터에 의해 진동되는 멤브레인(membrane) 또는 캔틸레버(cantilever)로 사용되는 SOI(silicon on insulator) 기판과; 상기 SOI 기판 후면에 부착되어 후방파를 방지하는 후면판을 포함하여 구성한 단위 셀들이 정방 형태 또는 육각형 형태로 주기적으로 배열되어 형성된 것을 특징으로 한다.A piezoelectric capacitor that causes mechanical operation by piezoelectric characteristics when power is supplied from outside the present invention for achieving the above object; A silicon on insulator (SOI) substrate having a rear center portion etched by a predetermined depth and used as a membrane or cantilever oscillated by the piezoelectric capacitor; Unit cells comprising a back plate attached to the back side of the SOI substrate to prevent back waves may be formed by being periodically arranged in a square or hexagonal form.

또한, 상기 압전 커패시터는 하부 금속/압전체층/상부 금속으로 구성되고, 상기 압전체층은 Zr과Ti의 비가 6:4인 PZT(Pb(Zr,Ti)O3)로 이루어진 것을 특징으로 한다.The piezoelectric capacitor may include a lower metal / piezoelectric layer / upper metal, and the piezoelectric layer may include PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) having a ratio of Zr to Ti 6: 4.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커 제조 방법은 SOI(silicon on insulator) 기판 상부에 실리콘 산화물층을 열산화법으로 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 하부전극, 압전체층, 상부전극을 순차적으로 증착한 후 패터닝하고, 식각하여 압전 커패시터를 형성하는 단계와; 상기 SOI 기판 후면 중앙 부분을 패터닝하고, 식각하여 멤브레인(membrane) 또는 캔틸레버(cantilever)를 형성하는 단계와; 상기 SOI 기판 후면에 후방파 방지를 위한 후면판을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.The piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system speaker manufacturing method for achieving the above object comprises the steps of: forming a silicon oxide layer on a silicon on insulator (SOI) substrate by thermal oxidation; Sequentially depositing a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode on the structure, patterning, and etching to form a piezoelectric capacitor; Patterning and etching a central backside portion of the SOI substrate to form a membrane or cantilever; Forming a back plate for preventing a back wave on the back of the SOI substrate, characterized in that consisting of.

또한, 상기 SOI 기판에 멤브레인 또는 캔틸레버를 형성하지 않을 경우, 상기 SOI 기판에 하부전극, 압전체층, 상부전극을 순차적으로 증착한 후 상부전극만 패터닝하고, 식각하여 압전 커패시터를 형성하는 단계와; 상기 SOI 기판의 후면 중앙 부분을 완전 식각하여 상기 하부전극을 노출시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, when the membrane or the cantilever is not formed on the SOI substrate, sequentially depositing a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode on the SOI substrate, patterning only the upper electrode and etching to form a piezoelectric capacitor; And etching the center portion of the rear surface of the SOI substrate to expose the lower electrode.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커 및 그 제조 방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다.With reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system speaker having the features as described above and a manufacturing method thereof will be described.

도2는 본 발명에 따른 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커의 단위셀에 대한 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 후면의 중앙 부분이 소정 식각된 SOI(silicon on insulator) 기판(10)과, 상기 SOI 기판(10) 상부에 형성된 실리콘 산화물층(11)과, 상기 실리콘 산화물층(11) 상부 일부 영역에 형성된 압전 커패시터(100)와, 상기 SOI 기판(10) 하부에 형성된 후면판(15)으로 구성된다.2 is a cross-sectional view of a unit cell of a piezoelectric driven ultrasonic micromechanical system speaker according to the present invention. As shown, a silicon on insulator (SOI) substrate 10 in which a central portion of the rear surface is etched, a silicon oxide layer 11 formed on the SOI substrate 10, and an upper portion of the silicon oxide layer 11 The piezoelectric capacitor 100 is formed in a portion of the region, and the back plate 15 formed under the SOI substrate 10.

상기 압전 커패시터(100)는 외부에서 인가되는 구동 전압에 의해 발생되는 전기적 에너지가 기계적 에너지로 변환되어 진동하고, 하부전극(12)/압전체층(13)/상부전극(14) 구조를 갖는다. 상기 압전체층(13)은 압전 상수가 높은 PZT(Pb(Zr,Ti)O3)를 사용하며, 인가 전압에 대한 기계적 동작의 선형성 및 PZT 구조의 정방성을 위하여 Zr과 Ti의 비를 6:4로 하여 제조하고, 상부전극(14)과 하부전극(12)은 Pt/Ti 또는 Ir/Ti 등의 금속 전극이나 RuO2 또는 IrO2 등의 산화물 전극을 사용한다.The piezoelectric capacitor 100 vibrates by converting electrical energy generated by a driving voltage applied from the outside into mechanical energy, and has a structure of a lower electrode 12, a piezoelectric layer 13, and an upper electrode 14. The piezoelectric layer 13 uses PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) having a high piezoelectric constant, and the ratio of Zr and Ti is 6: for the linearity of the mechanical operation and the tetragonality of the PZT structure with respect to the applied voltage. The upper electrode 14 and the lower electrode 12 are made of 4, and a metal electrode such as Pt / Ti or Ir / Ti, or an oxide electrode such as RuO 2 or IrO 2 is used.

또한, 상부전극(14)과 하부전극(12)간의 단락을 방지하기 위해 하부 전극(12)과 압전체층(13) 그리고 상부전극(14)을 일방향으로 엇갈려 형성하고, 이러한 압전 커패시터(100)를 갖는 셀로 초음파 스피커 배열(array)로 만들 경우 상부전극(14) 및 하부전극(12)은 전압을 인가하는 외부 패드(미도시)로 각각 연결된다.In addition, the lower electrode 12, the piezoelectric layer 13, and the upper electrode 14 are alternately formed in one direction to prevent a short circuit between the upper electrode 14 and the lower electrode 12, and the piezoelectric capacitor 100 is formed. In the case of having an array of ultrasonic speakers, the upper electrode 14 and the lower electrode 12 are connected to an external pad (not shown) for applying a voltage.

상기 SOI 기판(10)의 후면은 건식 식각과 습식 식각에 의해 이루어질 수 있는데, 건식 식각은 SF6, O2 및 C4F8 가스 조성 등을 이용하여 실시되고, 단면이 직사각형 모양으로 식각되기 때문에 스피커 배열 밀도를 크게 할 수 있지만, 장비가 비싼 단점을 가지고 있다. 반면, 습식 식각은 KOH, HNA, TMAH, EDP 및 NaOH 등을 이용하여 실시되고, 단면이 사다리꼴 모양으로 식각되기 때문에 스피커 배열 밀도가 건식 식각에 비해 현저히 떨어지지만, 장비를 손쉽게 만들 수 있는 장점이 있다.The back surface of the SOI substrate 10 may be formed by dry etching and wet etching, and the dry etching may be performed by using SF 6 , O 2, and C 4 F 8 gas compositions, and may be etched in a rectangular shape. The speaker array density can be increased, but the equipment has the disadvantage of being expensive. On the other hand, wet etching is performed using KOH, HNA, TMAH, EDP and NaOH, and because the cross section is etched in a trapezoidal shape, the speaker array density is significantly lower than that of dry etching, but there is an advantage in that the equipment can be easily made. .

또한, 상기 SOI 기판(10)의 상부 실리콘은 상기 압전 커패시터(100)에서 발생한 기계적 신호(진동)에 따라 공기를 진동시키는 멤브레인(membrane) 역할을 수행하고, SOI 기판(100) 두께에 따라 출력되는 초음파 주파수의 범위가 달라지기 때문에 초음파 주파수에 따라 소정의 두께를 갖는 SOI 기판(10)을 사용하게 된다. 예를 들어, SOI 기판(10)의 두께가 400~450[㎛]인 경우 200KHz 또는 400KHz 근처의 초음파가 출력되고, 두께가 500~550[㎛]인 경우 162KHz 또는 324KHz 근처의 초음파 주파수가 출력되며 두께가 600~650[㎛]인 경우 136KHz 또는 272KHz 근처의 초음파 주파수가 출력된다. 그리고, SOI 기판(10)의 상부 실리콘 두께 조절에 의해 정확한 초음파 주파수를 출력한다. 즉, 출력되는 초음파 주파수는 SOI 기판(10)의 두께와 SOI 기판(10)의 상부 실리콘 두께에 의해 결정된다.In addition, the upper silicon of the SOI substrate 10 serves as a membrane for vibrating air according to a mechanical signal (vibration) generated by the piezoelectric capacitor 100, and is output according to the thickness of the SOI substrate 100. Since the range of the ultrasonic frequency varies, the SOI substrate 10 having a predetermined thickness is used according to the ultrasonic frequency. For example, when the thickness of the SOI substrate 10 is 400 to 450 [μm], ultrasonic waves around 200 KHz or 400 KHz are output, and when the thickness is 500 to 550 [μm], ultrasonic frequencies around 162 KHz or 324 KHz are output. If the thickness is 600 ~ 650 [㎛], the ultrasonic frequency near 136KHz or 272KHz is output. And, by adjusting the upper silicon thickness of the SOI substrate 10, the correct ultrasonic frequency is output. That is, the output ultrasonic frequency is determined by the thickness of the SOI substrate 10 and the thickness of the upper silicon of the SOI substrate 10.

상기 실리콘 산화물층(11)은 SOI 기판(10)의 상부 실리콘과 하부전극(12) 간의 반응을 억제하기 위해 형성된 것으로, 두께는 500~1000[㎚]정도로 열산화법에 의해 형성된다.The silicon oxide layer 11 is formed to suppress the reaction between the upper silicon and the lower electrode 12 of the SOI substrate 10 and has a thickness of about 500 to 1000 [nm] by thermal oxidation.

상기 후면판(15)은 후방파를 제거하여 전방파의 왜곡 현상을 제거하기 위한 것으로, 진공상태에서 에폭시 등을 이용하여 부착한다.The back plate 15 is for removing distortion of the front wave by removing the rear wave, and is attached using an epoxy or the like in a vacuum state.

도3은 본 발명에 따른 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커에 대한 제조 과정을 도시한 것으로, 먼저, 도3a에 도시된 바와 같이, SOI 기판(10) 상부와 하부에 열산화법을 이용하여 500~1000[㎚] 정도의 실리콘 산화물층(11)을 형성한다.Figure 3 shows a manufacturing process for the piezoelectric driven ultrasonic micromechanical system speaker according to the present invention, first, as shown in Figure 3a, using a thermal oxidation method on the top and bottom of the SOI substrate 10 500 ~ A silicon oxide layer 11 of about 1000 nm is formed.

그 다음, 도3b에 도시된 바와 같이, 상기 상부에 형성된 실리콘 산화물층(11) 상부에 하부전극(12)과 압전체층(13) 그리고 상부전극(14)을 순차적으로 증착한 후 패터닝하고, 식각하여 압전 커패시터(100)를 형성한다. 이때, 상부전극(14)과 하부전극(12)은 도시하지는 않았지만 전압 인가를 위해 외부 패드로 연결되며, 상기 압전 커패시터(100)의 모양은 사각형, 원형, 마름모, 오각형, 육각형 또는 비대칭 다각형 등이 될 수 있다.3B, the lower electrode 12, the piezoelectric layer 13, and the upper electrode 14 are sequentially deposited on the silicon oxide layer 11 formed thereon, and then patterned and etched. To form the piezoelectric capacitor 100. At this time, the upper electrode 14 and the lower electrode 12 is connected to an external pad for voltage application, although not shown, the shape of the piezoelectric capacitor 100 is rectangular, circular, rhombus, pentagonal, hexagonal or asymmetrical polygon, etc. Can be.

그 다음, 도3c에 도시된 바와 같이, SOI 기판(10) 후면 상에 형성된 실리콘 산화물층(11)을 패터닝하고, 식각하여 SOI 기판(10) 후면의 중앙 부분을 노출시킨다. 그리고, 상부 구조물을 포토레지스터(PR)로 보호한 후 상기 노출된 SOI 기판(10)후면의 하부 실리콘 중앙 부분을 건식 식각으로 식각하고, SOI 기판(10)의 중간 산화물을 BOE(buffer oxide etchant)등으로 습식 식각하여 공간부분을 형성한다.3C, the silicon oxide layer 11 formed on the backside of the SOI substrate 10 is patterned and etched to expose a central portion of the backside of the SOI substrate 10. After protecting the upper structure with a photoresist (PR), the lower silicon central portion of the exposed back surface of the SOI substrate 10 is etched by dry etching, and the intermediate oxide of the SOI substrate 10 is buffer oxide etchant (BOE). Wet etching with a back to form a space part.

그 다음, 도3d에 도시된 바와 같이, SOI 기판(10)의 상부 실리콘을 느린 식각 조건에서 건식 식각하면서 출력될 초음파 주파수의 음성 강도 및 공진 주파수 등을 미세 조절한다.Next, as shown in FIG. 3D, while slowly etching the upper silicon of the SOI substrate 10 in a slow etching condition, the voice intensity and the resonance frequency of the ultrasonic frequency to be output are finely adjusted.

마지막으로, 도3e에 도시된 바와 같이, 후방파를 제거하여 전방파의 왜곡 현상을 방지하기 위해 진공상태에서 에폭시 등을 이용하여 하부 구조물 상부에 후면판(15)을 부착한다.Finally, as shown in Figure 3e, in order to remove the rear wave to prevent distortion of the front wave is attached to the back plate 15 on the upper portion of the lower structure using an epoxy or the like in a vacuum.

도4는 본 발명에 대한 압전 구동형 초음파 MEMS 스피커의 또 다른 일 실시예 단면도로서, 압전 커패시터(100) 하부에 멤브레인이 없는 구조를 도시한 것이 다. 이 구조는 압전 커패시터(100) 자체가 공기를 진동시켜 음파 전달을 하는데, 하부전극(12)과 압전체층(13)을 패터닝하지 않고, 상부전극(14)만을 패터닝하여 압전 커패시터(100)를 형성할 수 있으며 스피커 배열 형성 시 하부전극(14)을 외부 패드와 연결하기 위해 압전체층(13) 끝쪽 일부를 식각하여야 한다.Figure 4 is a cross-sectional view of another embodiment of a piezoelectric driven ultrasonic MEMS speaker according to the present invention, which shows a structure without a membrane under the piezoelectric capacitor 100. In this structure, the piezoelectric capacitor 100 itself vibrates air to transmit sound waves. Instead of patterning the lower electrode 12 and the piezoelectric layer 13, only the upper electrode 14 is patterned to form the piezoelectric capacitor 100. When the speaker array is formed, a portion of the end of the piezoelectric layer 13 needs to be etched to connect the lower electrode 14 to the external pad.

도5는 본 발명에 대한 압전 구동형 초음파 MEMS 스피커의 또 다른 일 실시예 단면도로서, 멤브레인이 아닌 캔틸레버(cantilever)가 진동판 역할을 하는 구조를 도시한 것이다. 이 구조는 한쪽 방향이 끊겨있기 때문에 음파의 손실이 있지만, 진동 폭이 크다는 장점이 있고, 후방파를 제거하기 위해 SOI 기판(100)의 상부 실리콘 두께를 사용 파장의 1/2 또는 1/4로 제작한다.Figure 5 is a cross-sectional view of another embodiment of a piezoelectric driven ultrasonic MEMS speaker according to the present invention, showing a structure in which a cantilever (not a membrane) acts as a diaphragm. This structure has a sound wave loss because one side is disconnected, but has the advantage of a large vibration width, and the thickness of the upper silicon of the SOI substrate 100 is 1/2 or 1/4 of the wavelength used to remove the back wave. To make.

도6은 본 발명에 따른 초음파 MEMS 스피커의 단위 셀(CELL)들을 5×5 정방 배열 형태로 나열한 초음파 스피커 모듈을 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 상부전극 및 하부전극과 외부 패드의 연결선은 폭을 작게하여 진동에 큰 영향을 주지 않도록 하고, 상부전극에 대한 외부 패드(20) 연결선과 하부전극에 대한 외부 패드(21) 연결선이 대각선으로 대칭이 되도록 한다.FIG. 6 is a plan view illustrating an ultrasonic speaker module in which unit cells CELLs of an ultrasonic MEMS speaker according to the present invention are arranged in a 5 × 5 square arrangement. As shown in the drawing, the connecting line between the upper electrode and the lower electrode and the outer pad has a small width so as not to have a large influence on the vibration, and the outer pad 20 connecting line to the upper electrode and the outer pad 21 connecting line to the lower electrode. Make this diagonally symmetrical.

도7은 본 발명에 따른 초음파 MEMS 스피커의 단위 셀들을 5×5 육각형 모양 배열 형태로 나열한 초음파 스피커 모듈을 도시한 평면도를 도시한 것으로, 스피커 셀(CELL)의 중심 간격이 항상 일정해서 음파 분포가 일정하다는 장점을 가진다.FIG. 7 is a plan view illustrating an ultrasonic speaker module in which unit cells of an ultrasonic MEMS speaker according to the present invention are arranged in a 5 × 5 hexagonal arrangement. The center distance of the speaker cell CELL is always constant so that a sound wave distribution is obtained. It has the advantage of being constant.

이와 같이 본 발명은 압전 구동에 의해 음파가 발생하므로, 비교적 낮은 인가 전압에서 큰 출력을 얻을 수 있고, 발생된 음파가 초음파이기 때문에 직진성을 갖게 되어 이어마이크 없이도 주위에 영향을 주지 않고 들을 수 있게 된다.As described above, in the present invention, since sound waves are generated by piezoelectric driving, a large output can be obtained at a relatively low applied voltage, and since the generated sound waves are ultrasonic waves, they have straightness and can be heard without affecting the surroundings without ear microphones. .

또한, MEMS 기술을 이용하여 초소형으로 제작이 가능하기 때문에 개인 정보 단말기(PDA), MP3 플레이어 및 정보 통신 단말기 등 개인용 초소형 정보 기기의 스피커로 대용할 수 있다.In addition, since it can be manufactured in a very small size using MEMS technology, it can be used as a speaker of a personal information device such as a personal digital assistant (PDA), an MP3 player and an information communication terminal.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 전계가 가해지면 상기 전계에 의해 발생되는 전기적 에너지가 기계적 에너지로 변환되어 진동하는 압전 커패시터를 이용하여 초음파 스피커를 제작함으로써, 낮은 인가 전압으로 높은 음향 강도를 얻을 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention manufactures an ultrasonic speaker using a piezoelectric capacitor that vibrates by converting electrical energy generated by the electric field into mechanical energy when an electric field is applied, thereby obtaining high sound intensity at a low applied voltage. It has an effect.

또한, 본 발명은 후방파를 제거하기 위한 후면판을 구비함으로써, 음파의 왜곡현상 없이 높은 음향 강도를 출력할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention is provided with a rear plate for removing the rear wave, there is an effect that can output a high sound intensity without distortion of sound waves.

또한, 본 발명은 제조 공정이 간단하여 높은 수율 및 높은 공정 신뢰성을 갖고, 제조 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of having a simple manufacturing process, high yield and high process reliability, and lowers the manufacturing cost.

Claims (19)

외부로부터 전원이 공급되면 압전 특성에 의해 기계적 작동을 유발하는 압전 커패시터와; 후면 중앙 부분이 기 결정된 깊이만큼 식각되고, 상기 압전 커패시터에 의해 진동되는 멤브레인(membrane) 또는 캔틸레버(cantilever)로 사용되는 SOI(silicon on insulator) 기판과; 상기 SOI 기판 후면에 부착되어 후방파를 방지하는 후면판을 포함하여 구성한 단위 셀들이 정방 형태 또는 육각형 형태로 주기적으로 배열되어 형성된 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커.A piezoelectric capacitor that causes mechanical operation by piezoelectric characteristics when power is supplied from the outside; A silicon on insulator (SOI) substrate having a rear center portion etched by a predetermined depth and used as a membrane or cantilever oscillated by the piezoelectric capacitor; A piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system speaker, characterized in that unit cells formed on the SOI substrate and including a rear plate to prevent rear waves are periodically arranged in a square or hexagonal form. 제1항에 있어서, 상기 압전 커패시터와 SOI 기판의 반응을 억제하기 위해 500~1000[㎚] 정도의 실리콘 산화물층이 상기 SOI 기판과 압전 커패시터 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커.The piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system according to claim 1, wherein a silicon oxide layer having a thickness of about 500 to 1000 nm is formed between the SOI substrate and the piezoelectric capacitor to suppress the reaction between the piezoelectric capacitor and the SOI substrate. speaker. 제1항에 있어서, 상기 압전 커패시터는 하부금속/압전체층/상부금속으로 구성되고, 상기 압전체층은 PZT(Pb(Zr,Ti)O3)로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커.The piezoelectric drive type ultrasonic micromechanical system according to claim 1, wherein the piezoelectric capacitor is composed of a lower metal / piezoelectric layer / upper metal, and the piezoelectric layer is made of PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ). speaker. 제3항에 있어서, 상기 PZT의 Zr과Ti의 비가 6:4인 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커.The piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system speaker according to claim 3, wherein the ratio of Zr and Ti of the PZT is 6: 4. 제3항에 있어서, 상기 상부금속 및 하부금속은 Pt/Ti 또는 Ir/Ti의 금속 전극인 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커.The piezoelectric driven ultrasonic micromechanical system speaker according to claim 3, wherein the upper metal and the lower metal are metal electrodes of Pt / Ti or Ir / Ti. 제3항에 있어서, 상기 상부금속 및 하부금속은 RuO2 또는 IrO2의 산화물 전극인 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커.4. The piezoelectric driven ultrasonic micromechanical system speaker according to claim 3, wherein the upper metal and the lower metal are oxide electrodes of RuO 2 or IrO 2 . 제3항에 있어서, 상기 압전 커패시터의 상부전극과 하부전극으로 전원을 인가하기 위한 외부 패드를 더 구비하고, 상기 상부전극 및 하부전극과 연결된 외부 패드는 서로 대칭인 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커.4. The piezoelectric driven ultrasound of claim 3, further comprising external pads for applying power to the upper electrode and the lower electrode of the piezoelectric capacitor, wherein the external pads connected to the upper electrode and the lower electrode are symmetrical to each other. Micromechanical System Speakers. 제1항에 있어서, 상기 SOI 기판의 두께가 400~450[㎛]인 경우 200KHz 또는 400KHz 근처의 초음파 주파수가 출력되는 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커.The piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system speaker according to claim 1, wherein an ultrasonic frequency of about 200 KHz or 400 KHz is output when the thickness of the SOI substrate is 400 to 450 [μm]. 제1항에 있어서, 상기 SOI 기판의 두께가 500~550[㎛]인 경우 162KHz 또는 324KHz 근처의 초음파 주파수가 출력되는 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커.The piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system speaker according to claim 1, wherein when the thickness of the SOI substrate is 500 to 550 [μm], an ultrasonic frequency of about 162 KHz or 324 KHz is output. 제1항에 있어서, 상기 SOI 기판의 두께가 600~650[㎛]인 경우 136KHz 또는 272KHz 근처의 초음파 주파수가 출력되는 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커.The piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system speaker according to claim 1, wherein an ultrasonic frequency of about 136KHz or 272KHz is output when the thickness of the SOI substrate is 600 to 650 [μm]. 제1항에 있어서, 상기 SOI 기판의 상부 실리콘이 멤브레인 또는 캔틸레버로 사용되고, 그 상부 실리콘 두께에 따라 출력되는 초음파 주파수가 조절되는 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커.The piezoelectric driven ultrasonic micromechanical system speaker according to claim 1, wherein the upper silicon of the SOI substrate is used as a membrane or cantilever, and the ultrasonic frequency outputted is adjusted according to the upper silicon thickness. 제1항에 있어서, 상기 압전 커패시터의 모양은 사각형, 원형, 마름모, 오각형, 육각형, 비대칭 다각형 중 하나인 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커.The piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system speaker according to claim 1, wherein the piezoelectric capacitor has one of rectangular, circular, rhombus, pentagonal, hexagonal, and asymmetrical polygons. 제1항에 있어서, 상기 SOI 기판의 중앙 부분이 완전 식각되어 멤브레인 또는 캔틸레버가 없는 경우 상기 압전 커패시터 자체의 진동에 의해 초음파가 출력되는 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커.The piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system speaker according to claim 1, wherein when the central portion of the SOI substrate is completely etched and there is no membrane or cantilever, ultrasonic waves are output by vibration of the piezoelectric capacitor itself. SOI(silicon on insulator) 기판 상부에 실리콘 산화물층을 열산화법으로 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 하부전극, 압전체층, 상부전극을 순차적으로 증착한 후 패터닝하고, 식각하여 압전 커패시터를 형성하는 단계와; 상기 SOI 기판 후면 중앙 부분을 패터닝하고, 식각하여 멤브레인(membrane) 또는 캔틸레버(cantilever)를 형성하는 단계와; 상기 SOI 기판 후면에 후방파 방지를 위한 후면판을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커 제조 방법.Forming a silicon oxide layer on a silicon on insulator (SOI) substrate by thermal oxidation; Sequentially depositing a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode on the structure, patterning, and etching to form a piezoelectric capacitor; Patterning and etching a central backside portion of the SOI substrate to form a membrane or cantilever; Piezoelectric-driven ultrasonic micromechanical system speaker manufacturing method characterized in that it comprises the step of forming a back plate for the rear wave prevention on the back of the SOI substrate. 제14항에 있어서, 상기 SOI 기판의 하부 실리콘은 건식 식각으로 식각하고, SOI 기판의 중간 산화물은 BOE(buffer oxide etchant) 등으로 습식 식각하여 공간부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커 제조 방법.The piezoelectric-driven ultrasonic micromachine according to claim 14, wherein the lower silicon of the SOI substrate is etched by dry etching, and the intermediate oxide of the SOI substrate is wet-etched by BOE (buffer oxide etchant) to form a space portion. Full system speaker manufacturing method. 제14항에 있어서, 상기 멤브레인 또는 캔틸레버는 상기 SOI 기판의 상부 실리콘에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커 제조 방법.15. The method of claim 14, wherein the membrane or cantilever is formed by silicon on top of the SOI substrate. 제14항에 있어서, 상기 SOI 기판이 캔틸레버로 사용되는 경우 상기 SOI 기판의 상부 실리콘의 두께를 초음파 주파수 파장의 1/2 또는 1/4로 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커 제조 방법.The piezoelectric driven ultrasonic micromechanical system speaker according to claim 14, wherein when the SOI substrate is used as a cantilever, the thickness of the upper silicon of the SOI substrate is formed to be 1/2 or 1/4 of an ultrasonic frequency wavelength. Manufacturing method. 제14항에 있어서, 상기 후면판은 진공상태에서 에폭시에 의해 상기 SOI 기판의 후면에 부착되는 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피 커 제조 방법.15. The method of claim 14, wherein the backplane is attached to the backside of the SOI substrate by epoxy in a vacuum. 제14항에 있어서, 상기 SOI 기판에 멤브레인 또는 캔틸레버를 형성하지 않을 경우, 상기 SOI 기판에 하부전극, 압전체층, 상부전극을 순차적으로 증착한 후 상부전극만 패터닝하고, 식각하여 압전 커패시터를 형성하는 단계와; 상기 SOI 기판의 후면 중앙 부분을 완전 식각하여 상기 하부전극을 노출시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 구동형 초음파 미세기전 시스템 스피커 제조 방법.The method of claim 14, wherein when the membrane or the cantilever is not formed on the SOI substrate, the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode are sequentially deposited on the SOI substrate, and only the upper electrode is patterned and etched to form a piezoelectric capacitor. Steps; And etching the center portion of the rear surface of the SOI substrate to expose the lower electrode.
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